Flachbauendes Mikroskop

Von der Natur abgeguckt

  • Abb. 1: Schematische Schnittdarstellung des optischen Wirkprinzips des flachbauenden MirkoskopsAbb. 1: Schematische Schnittdarstellung des optischen Wirkprinzips des flachbauenden Mirkoskops
  • Abb. 1: Schematische Schnittdarstellung des optischen Wirkprinzips des flachbauenden Mirkoskops
  • Abb. 2: Demonstrator im Kleinbildformat im Vergleich mit einem konventionellen Mikroskopobjektiv
  • Abb. 3: Aufnahme eines 17x17 mm² Gebietes eines USAF Testmusters (link Rohbild, rechts mit FFC)

Das Mikroskop als universelles Inspektionssystem ist -ob in der Medizintechnik, z. B. bei der Beurteilung verdächtiger Hautveränderungen oder in der industriellen Produktionsüberwachung- nicht mehr wegzudenken. Gewünscht sind Systeme, die schnell und mit hoher Auflösung große Bildbereiche aufnehmen können. Ein solches System, inspiriert durch den Aufbau von Insektenaugen, wurde am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena entwickelt.

Einleitung

Mikroskope sind abbildende optische Systeme zur Betrachtung kleiner Objekte und Strukturen, die dem menschlichen Beobachter mit unbewaffnetem Auge verborgen bleiben. Vor allem durch das Wirken in Jena agierender Pioniere der Mikroskopie wurde das Erscheinungsbild derartiger Instrumente geprägt: Ein zylindrischer Tubus von etwa 150 mm Länge mit einem Objektiv an einem Ende, welches dem Objekt gegenübersteht, und einem Okular am gegenüberliegenden Ende, durch das der Betrachter mit seinem Auge blickt. Durch die Entwicklung von mikroelektronischen Bildsensoren ist es nicht mehr länger notwendig und in zahlreichen Anwendungsfällen nicht mehr möglich, dass das menschliche Auge durch das Mikroskop blickt - die Inspektion erfolgt digital am PC. Dieser Umstand ermöglicht vollkommen neue Systemkonzepte für mikroskopische Abbildungssysteme. Das entwickelte flachbauende Abbildungssystem verfügt über eine grundlegend andere Morphologie, greift jedoch Ideen des konventionellen Aufbaus auf und verfolgt den Zweck eines klassischen Mikroskops.

Herkömmliche Mikroskope können bei vergleichbarer Auflösung entweder nur ein kleines Feld untersuchen oder sie scannen die Oberfläche. Das heißt, dass sie sich Punkt für Punkt vorarbeiten und die einzelnen Messpunkte zum vollständigen Bild zusammensetzen und entsprechend viel Zeit zur Aufnahme des Gesamtbilds benötigen.

Entgegen konventionellen Abbildungssystemen verfügt das flachbauende Mikroskop über eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Abbildungskanälen, die jeweils einen Teilbereich des Gesamtobjekts mit einem Gesamtabbildungsmaßstab von 1:1 übertragen und aneinander lückenlos anschließende Teilbilder generieren, ein Scannen der Fläche entfällt.

Somit kann das optische Modul gemäß der Anzahl seiner Kanäle auf verschieden ausgedehnte Objektfelder bzw. Bildsensoren angepasst werden, ohne dass sich seine Baulänge verändert.

Die Herstellung der einzelnen Komponenten des optischen Mikrosystems mittels mikrooptischer Verfahren erfolgt auf der Basis von photolithographischen Strukturierungsverfahren und der UV-Abformung. Das ermöglicht eine kostengünstige Fertigung in großer Stückzahl.

Prinzip und optisches Design

Die Frontgruppe der Multiapertur-Abbildungsoptik (MLA 1 in Abb. 1) erzeugt innerhalb eines jeden optischen Kanals ein verkleinertes reelles Zwischenbild, welches durch die hintere Baugruppe (MLA 1') auf den Bildsensor abgebildet wird. Dies ist notwendig, damit die Mikrobilder benachbarter Kanäle in der Bildebene aneinander angelagert werden können (optischer Bildanschluss). Die mittlere Baugruppe (MLA 2) dient hauptsächlich als Feldlinsenarray. Das System ist spiegelsymmetrisch zur mittleren Zwischenbildebene des Objektivs aufgebaut. Folglich sind die erste und dritte Baugruppe identisch, wodurch der Optimierungs- und Herstellungsaufwand reduziert wird.

In der Frontbaugruppe finden mikrooptische Asphären und Achromaten Verwendung, um sowohl chromatische als auch monochromatische Abbildungsfehler zu korrigieren und hohe Auflösungen über einen möglichst großen Wellenlängenbereich und das gesamte Objektfeld zu realisieren.

Die relative Beleuchtungsstärke nimmt zum Bildfeldrand eines einzelnen Kanals um etwa 11 % ab, sodass eine gleichmäßige Ausleuchtung an den Anschlussstellen benachbarter optischer Kanäle gewährleistet wird. Aufgrund des einfachen Abbildungsmaßstabes, können die Bildfelder ohne sichtbaren Versatz der Kontraste aneinander angeschlossen werden.

Die laterale Ausdehnung der Arrays aus Abbildungsoptiken ist prinzipiell nicht begrenzt, sodass quasi beliebig große Objektflächen ohne Notwendigkeit einer zeitlich sequentiellen Bildaufnahme betrachtet werden können. Die Multiaperturanordnung erlaubt damit zum einen eine deutliche Reduzierung der optischen Baulänge auf 5,3 mm (Objekt-Bild-Abstand) und zum anderen die simultane Beobachtung großer Objektfelder mit konstanter Ortsauflösung von bis zu 5 μm.

Experimentelle Ergebnisse

Die Auslegung des Abbildungssystems erfolgte für Demonstratoren auf Basis eines Bildsensors mit einer aktiven Fläche von 6,6 x 5 mm2 und weiterhin eines Kleinbildformatsensors (Kamera Prosilica GE4900) mit einer aktiven Fläche von 36 x 24 mm2 (Abb. 2).

Gemäß der Abbeschen Formel für das Limit des Auflösungsvermögens ist bei der verwendeten numerischen Apertur (NA) von 0,1 und 550 nm Wellenlänge eine theoretisch kleinste auflösbare Strukturgröße von 6,7 µm zu erwarten. Die experimentell ermittelte Auflösungsgrenze (MTF bei 10 %) innerhalb des Bildfeldes eines Einzelkanals liegt bei 115 LP/mm, was einer Strukturgröße von 8,7 µm entspricht. Über den Bereich mehrerer Kanäle kann aufgrund des optischen Bildanschlusses und Toleranzen der Herstellung sowie der Montage eine Auflösung von 12 µm Strukturen (83 LP/mm) erreicht werden. Das entspricht ca. 4200 dpi.

Des Weiteren wurde der Teilbildanschluss durch das Verfolgen von Kontrastkanten mit unterschiedlicher Orientierung zum Pixelraster untersucht. Es konnte eine maximale Abweichung der Kantenposition von 1 Pixel im Zentrum bis 1,8 Pixel am Rand des Feldes gemessen werden.

Der verbleibende Helligkeitsabfall zum Rand eines jeden Teilbildes erzeugt im Gesamtbild ein unerwünschtes aber stabiles Muster, welches durch eine Softwarekorrektur (flat-field correction - FFC) vermieden werden kann (Abb. 3).

Zusammenfassung

Das hier vorgestellte optische Nahaufnahmesystem erreicht eine numerische Apertur (NA) von 0,1 bei einer einfachen Vergrößerung und wurde mittels Verfahren der Mikrosystemtechnik hergestellt. Die Multiaperturanordnung ermöglicht eine Skalierung des Objektfeldes unabhängig von der Baulänge der Optik. Entsprechend erlaubt das kurzbauende System die Abbildung eines ausgedehnten Objektfeldes in einem Aufnahmeschritt ohne Scanbewegung. Einer der Demonstratoren wurde auf ein Bild- und Objektfeld im Kleinbildformat mit 36  x 24 mm2 angepasst und erzielt dabei einen Objekt-Bildabstand von 5,3 mm. Die experimentell gemessene Auflösung betrug 115 LP/mm (8,7 µm) im Einzelkanal und 83 LP/mm (12 µm oder 4200 dpi) über einen ausgedehnten Bildbereich. Das System bietet damit neue Möglichkeiten für Inspektionsaufgaben im Machine Vision Bereich oder für mobile bildgebende Geräte in der Medizintechnik.

Die Entwicklung einer verbesserten Aufbau- und Verbindungstechnik für die Optikmontage der vorgestellten Systeme sowie die Realisierung einer Auflichtbeleuchtung bei sehr kurzer Schnittweite stellen den Gegenstand zukünftiger Forschungsarbeiten dar.

Danksagung
Die vorgestellten Forschungsarbeiten wurden durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Projekt „Insekten inspirierte abbildende optische Systeme" (FKZ: 01RB0705A) innerhalb der BIONA Initiative gefördert.

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Fraunhofer Inst. f. Angew. Optik u. Feinmechanik IOF
Albert-Einstein-Str. 7
07745 Jena
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